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Keramiken zeichnen sich durch ihre sehr guten ästhetischen Eigenschaften, ausgezeichnete Biokompatibilität und eine geringe Plaqueanlagerung aus. Bereits seit längerer Zeit sind vollkeramische Restaurationsmaterialien auf dem Markt, die die Herstellung von Einzelkronen und kleineren Brücken im Front- und Seitenzahnbereich erlauben. Die Festigkeiten dieser Keramiken lassen den Einsatz in Indikationsbereichen mit erhöhten mechanischen Anforderungen jedoch nicht zu. In den letzten Jahren wurden daher dentale Hochleistungskeramiken auf der Basis von Zirkoniumdioxid (ZrO2) entwickelt, um weitere Indikationsbereiche für vollkeramische Versorgungen zu öffnen. Diese weisen eine außergewöhnlich hohe Belastbarkeit auf und treten somit in Konkurrenz zu den etablierten metallkeramischen Versorgungen, die bislang den sogenannten „Goldstandard“ darstellen.
Zirkoniumdioxid – Werkstoffkundliche Aspekte
Zirkonium (Zr) ist ein relativ weiches, biegsames, silbrig glänzendes Metall und steht an 17. Stelle der häufigsten Elemente der Erde. Das in technischen und medizinischen Bereichen eingesetzte Oxid dieses Metalls, Zirkoniumdioxid, wird in der Regel in einem aufwendigen Prozess aus Zirkonsand gewonnen. Schließlich liegt es als weißes, hochschmelzendes, kristallines Pulver vor. Der Schmelzpunkt von Zirkoniumdioxid liegt bei 2.680°C, der Siedepunkt bei 5.500°C. Die besonderen Materialeigenschaften von Zirkoniumdioxid liegen in seiner Polymorphie begründet. Kristallografisch betrachtet tritt Zirkoniumdioxid in monokliner, tetragonaler und kubischer Modifikation auf (Abb. 1).
Abb. 1 Die drei Kristallphasen des Zirkoniumdioxides.
Beim Abkühlvorgang einer reinen ZrO2-Schmelze kristallisiert ab 2.680 °C zuerst die kubische Phase (k) aus, diese wandelt sich bei 2.370°C in die tetragonale Phase (t) um. Bei einer Temperatur von 1.170°C findet schließlich die Umwandlung in die monokline Phase (m) statt, in der das Zirkoniumdioxid dann bei Raumtemperatur vorliegt. Diese letzte martensitische Umwandlung (t→m) geht mit einer Volumenzunahme von ca. 3 % einher, die bei vollständiger Abkühlung bis auf Raumtemperatur auf 4,9 % anwächst.
Die sprunghafte Volumenzunahme in der Abkühlphase macht die Herstellung von Sinterkeramiken aus reinem Zirkoniumdioxid unmöglich. Die Volumenvergrößerung führt stets zu hohen Spannungen und unerwünschten Rissbildungen im Keramikgefüge. Die t→m-Umwandlung in der Abkühlphase kann durch die Zugabe von Stabilisierungsoxiden vermieden werden, die in das Kristallgitter des Zirkoniumdioxides eingebaut werden. Das wichtigste Stabilisierungsoxid, das in zahnmedizinischen Zirkoniumdioxidkeramiken eingesetzt wird, ist Yttriumoxid (Y2O3). Als besonders geeignet hat sich ein Zusatz von 3 Mol-% Yttriumoxid erwiesen, bei dieser Konzentration liegen die Zirkoniumdioxidkeramiken vollständig in Form der tetragonalen Modifikation vor. Durch die vollständige Stabilisierung der tetragonalen Phase erhält man die sogenannten Y-TZP (yttrium stabilized tetragonal zirconia polycrystals)-Keramiken. Diese weisen aufgrund des charakteristischen Mechanismus der Umwandlungsverstärkung (t→m) eine sehr hohe mechanische Belastbarkeit auf und sind weniger anfällig für die Entstehung von festigkeitsmindernden Rissen und deren Wachstum.
Die Umwandlungsverstärkung lässt sich grundsätzlich auf zwei unterschiedliche Mechanismen zurückführen. Zum einen kann eine lokale, spontane t→m-Umwandlung von Zirkoniumdioxid die Bildung feiner Mikrorisse hervorrufen, die durch das größere Volumen der monoklinen Kristallform bedingt ist.
Ein sich ausbreitender Riss läuft sich entweder in diesen Mikrorissen tot oder wird an den Zirkoniumdioxidteilchen abgelenkt. Zum anderen kann die t→m-Umwandlung auch durch die hohen Zugspannungen induziert werden, die an der Spitze eines sich ausdehnenden Risses immer vorhanden sind. Die vorliegenden Zugspannungen vermindern den Matrixdruck auf die umgebenden Zirkoniumdioxidteilchen und es kommt zur t→m-Umwandlung. Das größere Volumen der entstehenden monoklinen Kristallform führt wiederum zu einer lokalen Druckspannung im Bereich der Rissspitzen. Das weitere Risswachstum wird so durch das Zusammendrängen der Rissflanken erschwert. Die physikalischen Eigenschaften von Zirkoniumdioxid lassen die Anwendung von herkömmlichen Sinter-, Guss- und Presstechnologien im Dentallabor aufgrund hoher Schmelz- und Zersetzungstemperaturen nicht zu. Für die Bearbeitung von Y-TZP-Keramiken kommen daher CAD (Computer Aided Design)/CAM (Computer Aided Manufacturing)-Verfahren zum Einsatz, die den Gebrauch von industriell hergestellten Zirkoniumdioxidrohlingen ermöglichen. Die Formgebung des Zahnersatzes erfolgt dabei nach computergestützter Gestaltung in automatisierten Fräseinheiten und kann sowohl vor als auch nach dem endgültigen Sinterprozess der Rohlinge vorgenommen werden. Die Rohlinge, die bei der Bearbeitung bereits ihre Enddichte aufweisen, werden als dichtgesintert bezeichnet. Unter industriellen Bedingungen werden sie in einem heißisostatischen Pressverfahren (HIP) zumeist noch weiter verdichtet. Das Material zeigt sehr hohe Festigkeitswerte, die Bearbeitung mit Schleifinstrumenten ist jedoch aufwendig. Eine weitere Möglichkeit stellt die Verwendung von vorgesinterten Zirkoniumdioxidrohlingen, sogenannten Weißlingen, dar. Die zu fertigenden Restaurationen können leicht spanabhebend aus den kreideweichen Rohlingen herausgearbeitet werden. Bei der Konstruktion des Werkstückes muss dabei eine Schwindung von ca. 25–30 % berücksichtigt werden, die im abschließenden Sinterprozess auftritt.
Quelle: https://www.zwp-online.info/fachgebiete/zahntechnik/werkstoffe/zirkoniumdioxid-eine-keramik-auf-dem-weg-zum-goldstandard
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